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XX大學(xué)精品課>>專門水文地質(zhì)學(xué)>>教材>>專門水文地質(zhì)學(xué)§13.3地面沉降的災(zāi)情評估及防治措施一、地面沉降的概念及產(chǎn)生原因地面沉降(LandSubsidence)是指在自然因素或人為因素影響下發(fā)生的幅度較大、速率較大的地表高程垂直下降的現(xiàn)象。地面沉降,又稱地面下沉或地陷,是指某一區(qū)域內(nèi)由于開采地下水或其它地下流體所導(dǎo)致的地表淺部松散沉積物壓實或壓密引起的地面標(biāo)高下降的現(xiàn)象。意大利威尼斯城最早發(fā)現(xiàn)地面沉降。之后隨著經(jīng)濟發(fā)展,人口增加和地下水(油氣)開采量增大,世界上許多國家如美國、日本、墨西哥、歐洲和東南亞一些國家均發(fā)生了嚴(yán)重的地面沉降。地面沉降的特征是主要發(fā)生于大型沉積盆地和沿海平原地區(qū)的工業(yè)發(fā)達城市及油氣田開采區(qū)。其特點是涉及范圍廣,下沉速率緩慢,往往不易被察覺;在城市內(nèi)過量開采地下水引起的地面沉降,其波及的面積大;地面沉降具有不可逆特性,就是用人工回灌辦法,也難使地面沉降的地面回復(fù)到原來的標(biāo)高。因此地面沉降對于建筑物、城市建設(shè)和農(nóng)田水利設(shè)施危害極大。經(jīng)過對地面沉降的長期觀測和研究,對地面沉降的主要原因已取得比較一致的看法。地面沉降的原因頗多,有地質(zhì)構(gòu)造、氣候等自然因素,也有人為原因。人類工程活動是主要原因之一,人類工程活動既可導(dǎo)致地面沉降,又可加劇地面沉降,其主要表現(xiàn)在以下幾方面:1.大量抽取液體資源(地下水、石油等)、地下氣體(天然氣、沼氣等)活動是造成大幅度、急劇地面沉降的最主要原因;2.采掘地下團體礦藏(如沉積型煤礦、鐵礦等)形成的大范圍采空區(qū),及地下工程(隧道、防空洞、地下鐵道等)是導(dǎo)致地面下沉變形的原因之一。3.地面上的人為振動作用(大型機械、機動車輛等及爆破等引起的地面振動)在一定條件下也可引起土體的壓密變形。4.重大建筑物、蓄水工程(如水庫)對地基施加的靜荷載,使地基土體發(fā)生壓密下沉變形。5.由于在建筑工程中對地基處理不當(dāng),即地基勘探不周。從地層結(jié)構(gòu)而言,透水性差的隔水層(粘土層)與透水性好的含水層(砂質(zhì)土層、砂層、砂礫層)互層結(jié)構(gòu)易于發(fā)生地面沉降,即在含水性較好的砂層、砂礫層內(nèi)抽排地下水時,隔水層中的孔隙水向含水層流動就會引起地面沉降。根據(jù)土的固結(jié)理論可知,含水層上覆荷載的總應(yīng)力P應(yīng)由含水層中水體和土體顆粒共同承受。其中由水體所承受的孔隙壓力Pw并不能引起土層壓密,稱之為中性壓力。由土體承受的部分壓力直接作用于含水層固體骨架之上。可直接造成土層壓密,稱之為有效壓力Ps。水壓力Pw和有效壓力Ps共同承擔(dān)上覆荷載,即P=Pw+Ps。從孔隙承壓含水層中抽汲地下水,引起含水層中地下水位下降,水壓降低,但不會引起外部荷載的變化,這將導(dǎo)致有效應(yīng)力的增加。從成因上看,我國地面沉降絕大多數(shù)是地下水超量開采所致,地域分布具有明顯的地帶性(松散巖層區(qū)):(1)大型河流三角洲及沿海平原區(qū)(長江、黃河、海河、遼河下游平原及河口三角洲地區(qū));(2)小型河流三角洲區(qū)(東南沿海地區(qū));(3)山前沖洪積扇及傾斜平原區(qū)(北京、保定、邯鄲、鄭州、安陽等);(4)山間盆地和河谷地區(qū)(渭河盆地、汾河谷地)。二、地面沉降調(diào)查與監(jiān)測鴨地面沉降勘察通有兩種情況,昨一是勘察地區(qū)展已發(fā)生了地面沖沉降;一是勘振察地區(qū)有可能酬發(fā)生地面沉降僑。兩種情況的倆勘察內(nèi)容是有堆區(qū)別的,對于景前者,主要是悄調(diào)查地面沉降賴的原因,預(yù)測宜地面沉降的發(fā)溫展趨勢,并提次出控制和治理燭方案;對于后席者,主要應(yīng)預(yù)泊測地面沉降的柏可能性和估算歌沉降量。春地面沉降原因番的調(diào)查內(nèi)容包壘括三個方面鐘,匹即場地工程地錄質(zhì)條件,場地替地下水埋藏條伯件和地下水變旨化動態(tài)。并國內(nèi)外地面沉教降的實例表明荷,發(fā)生地面沉仰降地區(qū)的共同脅特點是它們都瞧位于厚度較大晶的松散堆積物耕,主要是第四慈紀(jì)堆積物之上嬸。沉降的部位偉幾乎無例外地由都在較細(xì)的砂崗?fù)梁驼承酝粱パ鼘又?。?dāng)含傲水層上的粘性休土厚度較大,始性質(zhì)松軟時,斃更易造成較大飲沉降。因此,營在調(diào)查地面沉俱降原因時,應(yīng)扯首先查明場地閱的沉積環(huán)境和陽年代,清楚沖渠積、湖積或淺炮海相沉積平原釀或盆地中第四殺紀(jì)松散堆積物獅的巖性、厚度論和埋藏條件。瘡特別要查明硬哨土層和軟弱壓夾縮層的分布。隸要時尚可根據(jù)否這些地層單元目體的空間組合掩,分出不同的凡地面沉降地質(zhì)壇結(jié)構(gòu)區(qū)。例如勒,上海地區(qū)按堵照三個軟粘土訓(xùn)壓縮層和暗綠冷色硬粘土層的程空間組合,分蛇成四個不同的牢地面沉降地質(zhì)里結(jié)構(gòu)區(qū),其產(chǎn)晴生地面沉降的懶效應(yīng)也不一樣信。近從巖土工程角差度研究地面沉桂降,應(yīng)著重研債究地表下一定憐深度內(nèi)壓縮層螺的變形機理及缸其過程。國內(nèi)正外已有研究成行果表明,地面獄沉降機制與產(chǎn)退生沉降的土層籠的地質(zhì)成因、跳固答結(jié)歷史、驟固里結(jié)狀態(tài)、孔隙際水的賦存形式踩及其釋水機理軟等有密切關(guān)系鈴。災(zāi)抽吸地下水引抽起水位或水壓奇下降,使上覆凡土層有效自重車壓力增加,所稿產(chǎn)生的附加荷傾載使土層固結(jié)惡,是產(chǎn)生地面畢沉降的主要原遮因。因此,對例場地地下水埋撤藏條件和歷年社來地下水變化緒動態(tài)進行調(diào)查擠分析,對于研憶究地面沉降來爺說是至關(guān)重要輪的。龍地面沉降現(xiàn)狀道調(diào)查內(nèi)容主要烈包括下列三方瓶面洽:地面沉降量恒的觀測;地下之水的觀測;對干地面沉降范圍會內(nèi)已有建筑物燈的調(diào)查。赴地面沉降量的僅觀測是以高精鞋度的水準(zhǔn)測量穿為基礎(chǔ)的。由獨于地面沉降的證發(fā)展和變化一封般都較緩慢,游用常規(guī)水準(zhǔn)測詢量方法已滿足戶不了精度要求獲,因此地面沉攪降觀測應(yīng)滿足捉專門的水準(zhǔn)測毯量精度要求。牽進行地面沉降會水準(zhǔn)測量時一喘般需要設(shè)置三親種標(biāo)點,即基留準(zhǔn)標(biāo),也稱背林景標(biāo),設(shè)置在身地面沉降所不昌能影響的范圍廢,作為衡量地抵面沉降基準(zhǔn)的叢標(biāo)點;地面沉部降標(biāo)用于觀測蝦地面升降的地水面水準(zhǔn)點;分壽層沉降標(biāo),用韻于觀測某一深潛度處土層的沉逝降幅度的觀測縮標(biāo)。匪地面沉降水準(zhǔn)僻測量的方法和術(shù)要求應(yīng)按現(xiàn)行驕國家標(biāo)準(zhǔn)《國擴家一二等水準(zhǔn)醫(yī)測量規(guī)范驚》剩GB1289勻7捐)盡規(guī)定執(zhí)行。一室般在沉降速率絡(luò)大時可用等精干度水準(zhǔn),緩慢牧?xí)r要呼用艷Ⅰ暖等精度水準(zhǔn)。佩對已發(fā)生地面患沉降的地區(qū)進攪行調(diào)查研究,鋤其成果可綜合皇反映到以地面喬沉降為主要特輔征的問專門環(huán)境地質(zhì)巷分區(qū)圖上,從蝦該圖可以看出舟地下水開采量桌、回灌量、水最位變化、地質(zhì)脹結(jié)構(gòu)與地面沉慣降的關(guān)系。梅對已發(fā)生地面膚沉降的地區(qū),禁控制地面沉降奧的基本措施是酷進行地下水資鋸源管理,我國廢上海地區(qū)首先凍進行了各種措屑施的試驗研究棋,先后采取了欠壓縮用水量、題人工補給地下誼水和調(diào)整地下身水開采層次等睜綜合措施,在村上海市區(qū)取得傷了基本控制地捐面沉降的成效燦。在這三種主原要措施中,壓辟縮地下水開采遍量使地下水位袖恢復(fù)是控制地直面沉降的最主糊要措施,這些麥措施的綜合利株用已為國內(nèi)條蜂件與上海類似創(chuàng)的地區(qū)所采用咬。視向地下水進行晌人工補給灌注敢時,要嚴(yán)格控鑰制回灌水源的堆水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),以題防止地下水被謊污染,并要根僑據(jù)地下水動態(tài)包和地面沉降規(guī)況律,制定合理趨的采灌方案。序可能發(fā)生地面盼沉降的地區(qū),吸一般是指具有快以下情況的地雀區(qū),具有產(chǎn)生品地面沉降的地韻質(zhì)環(huán)境模式,稅如沖積平原、較三角洲平原、寬斷陷盆地等;懲具有產(chǎn)生地面灰沉降的地質(zhì)結(jié)辰構(gòu),即第四紀(jì)荒松散堆積層厚戰(zhàn)度很大;據(jù)已開有地面測量和蛾建筑物觀測資設(shè)料,隨著地下?lián)焖倪M一步開萄采,已有發(fā)生霉地面沉降的趨假勢。隊對可能發(fā)生地騾面沉降的地區(qū)棒,主要是預(yù)測撓地面沉降的發(fā)柿展趨勢,即預(yù)貍測地面沉降量查和沉降過程。瘦國內(nèi)外有不少飼資料對地面沉景降提供了多種仁計算方法,歸勒納起來大臘致核偶有理論計算方辦法。半理論半逢經(jīng)驗方法和經(jīng)尚驗方法等三種暮。由于地面沉散降區(qū)地質(zhì)條件井和各種邊界條庫件的復(fù)雜性,淚采用半理論半階經(jīng)驗方法或經(jīng)燈驗方法,經(jīng)實玩踐證明是較簡夾單實用的計算團方法。殘通常采用的地逼面沉降監(jiān)測方觀法有:堵(1)乞低在地面沉降區(qū)娃或研究區(qū)內(nèi)布銹設(shè)水準(zhǔn)測量點城,定期進行測播量,監(jiān)測地面荒沉降的變形。洽(2)犬殘監(jiān)測含水層地護下水的抽排量歪、回灌量及地組下水位的變化宅,觀測地面沉筆降。追(3)紅閉用室內(nèi)試詠驗掩(絡(luò)常規(guī)試驗、微互觀結(jié)構(gòu)研究、摘高壓固結(jié)、三俯軸剪切、長期培流變、孔隙水濱壓力消散、室甚內(nèi)模型試驗翼等懲)拋和野外試面驗誠(漁抽水試驗、回?fù)u灌試驗、靜力勝觸探勒等斬)且,探索地面沉虎降發(fā)生、發(fā)展吩規(guī)律,并運用廣試驗取得的數(shù)悄據(jù)進行經(jīng)驗性紗、理論性預(yù)測他。饑(4)攻握在地面沉降區(qū)襖及附近,設(shè)立慘相對沉降、孔魂隙水壓力和基噸巖等標(biāo)志,監(jiān)怖測各巖土層和鷹含水層的變形泡及地下水位動耀態(tài)變化。他三、地面沉降雷的災(zāi)情評估從(一)地面沉母降等級劃分遙地面沉降調(diào)查范應(yīng)查明:沉降句的位置、范圍言及面積;沉降衣量;沉降區(qū)的蔑環(huán)境水文地質(zhì)礦條件;沉降原泰因以及發(fā)展趨揉勢。依據(jù)地面是沉降面積、累租計沉降量進行燕等級劃分(豈表住13-身5沾)。冬表營13-5疏跳地面沉降災(zāi)變眾等級劃分表傷種類堆指友脖標(biāo)寫特大型伏大型站中型種小型祖地面沉降創(chuàng)沉降面積喝(箏km寒2淡)許>500質(zhì)500~10誦0欠100~10廁<10廟累計沉降量怒(夏m夏)癢>2.0均2~1誠1.0~0.杜5踩<0.5喘引自杏張梁等著《地赤質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評迎估理論與實踐點》稱199肌8英,想P28逆(二)地面沉傍降的災(zāi)情評估舌地面沉降的危穗害是多方面的噴,包括:叛1.騰李損失地面標(biāo)高屯,造成雨季地處表積水,防洪誠能力下降;映2.懇苗沿海城市低地節(jié)面積擴大,海始堤高度下降,高海水倒灌;鐮3.豪坡海港建筑物破赴壞,裝卸能力某降低;遮4.襖撞地面運輸線、承地下管線扭曲足斷裂;我5.構(gòu)鬼城市建筑物基津礎(chǔ)下沉脫空開儀裂;股6.叛斑橋梁凈空減小宮,影響通航;夾7.悲模深井井管上升熊,井臺破壞,憂供水排水系統(tǒng)肺失效;駝8.面合農(nóng)田低洼地區(qū)踢洪澇積水,農(nóng)剖作物減產(chǎn)。蠻地面沉降的預(yù)蹲測評價可采用騾統(tǒng)計模型、土富水模型、生命低旋回模型等。齒統(tǒng)計模型:晴大量開采地下洲水引起地下水迷位持續(xù)下降,食進而引起隔水燈層失水固結(jié)是弟地面沉降的根撕本原因,通過祖統(tǒng)計方法建立襪開采乎量肚Q姥(或含水層水麻位重h巾)與地面沉降賤量特s(mm仁)委之間的統(tǒng)計關(guān)序系。該方法簡饞單明了,但有齡弱點,帶有人障為性,難于了聯(lián)解沉降機制。剩土水模型悔:包括水位預(yù)數(shù)測模型、土力敏學(xué)模型兩部分博,可利用相關(guān)委法、解析法和漠?dāng)?shù)值法等進行單地下水位預(yù)測墻分析;土力學(xué)閱模型包括含水棍層彈性計算模線型、粘性土層直最終沉降量模聽型、太沙基固尸結(jié)模型、流變寫固結(jié)模型、比盛奧韻(席Bio螞t獄)固結(jié)理論模膽型、彈塑性固轎結(jié)模型、回歸別計算模型及半懇理論半經(jīng)驗?zāi)_|型(如單位變咬形量法等)和秀最優(yōu)化計算方牢法等。占(1和)聽含水層的沉降拐計算方法燥一般采用彈性星公式:宿樂負(fù)歉S腸=愉Δ隔hE煮γ柱w悲H仇報溜敢箏(保13-柔3邊)戚式中熔:暢Δ題h碼—奶—典含水層水位變腰幅(赴m嶼);溜E母—把—焦含水層壓縮或役回彈模量(??瞬捎梅此阒担┸?;渠γ區(qū)w筍渡————萍水容重;摘H禮—鳴—教含水層厚度;暗S肥—尺—睛含水層變形量籍。貌(2倚)朱粘性土沉降變團形的計算方法題粘性土層的固諷結(jié)是一個緩慢給的過程,土層攝的最終沉降量逆是指土層完全膛固結(jié)情況下的放沉降量,常采禁用分層總和法竹(墊e屠—包logP瓦曲線法):墾S層=由∑歐S好i吧爛隆河悉罵喪縣季(停13-4健)飛槍砂性土聽:爪S您i誤=脈Δ傳P落i臟禍H描i郵吐女許腥燭占(反13-5魯)寬或躁S卻i匙=線Δ示h語i炭銹γ睜w宜H務(wù)砂敬鵝曠須鹽系帝廉陵(銳13-6貍)辰粘性土設(shè):潔S僵i=渴C張0i罵lg懸豐暈頌(令13-7臉)書常或榮S羅∞潔=籃睛工唐按榴(乖13-8敢)沫蛙式中撐:因S漿—賞—衰土層總沉降量御(糕cm色);狡S鼠i成—撒—勝第替i喝層土層的沉降費量(通cm意);顫S樣∞利—餅—梯土層的最終壓裂密量(旦cm載);義H頂砂妖H部粘揀—因—佛砂層、粘性土泰層的厚度(慘cm殖);熊γ貴w飽——屯水的容重嶺(否10富-3煌kg/cm旱3冒)蹤,柱1kN/m仗3絨=1kPa/望m披2休Δ材h首—膠—更承壓水位的降導(dǎo)低值(咐cm唐)弄,爬1kN/m妖3灶=10朋4繳kg/cm百3品E醉—吸—程砂層的彈性模敲量(汗MPa柿);燈e馳0雁、雜a您v孤—彈—深粘性土層的孔固隙比、壓縮系卵數(shù)(抖Mpa渣-1?。?;磁H洪i鞋—唱—牛第磁i寬層土的厚度;擇C桂ci主、慶e朝oi排—袖—犁第屬i銜層土的壓縮指伴數(shù)、初始孔隙猛比;者P褲oi玉、胃Δ旗P愁i威—豐—屯第幻i怒層土層中點的巖自重應(yīng)力、所涂受的附加應(yīng)力驟;惕P瓦c傾i想—抖—吸第覺i促層土層的先期分固結(jié)壓力;男E衡si末—械—驕第欣i司層土層的變形昂模量。繡反映土層平均默固結(jié)程度的指凱標(biāo)譯—澆—壩固結(jié)樹度辱Q倘,定義為嶄停Q=罪友來并倘飽工害硬晶(岡13-節(jié)9膜)爸Q啞=1-藍≈掘1疊—劑0.8e坡-N盼培指(大13-1謹(jǐn)0蝴)端N襖=nt負(fù)沖她單面排將水討N=貨茶n=捎影雙面排籍水誦蚊C紀(jì)V憂=愿證脆估悼督粗扮望(錘13-1滅1全)半式中沃:俯Q州N鮮—必—樸固結(jié)度、時間陪因數(shù);別C妙V綱K鷹—駝—蕉固結(jié)系數(shù)(黎cm仿2逼/s茅)、滲透系數(shù)塘(幻cm/s繳);罷t幼—覽時間(眾s獎);照st茄—畫—籌承壓水頭降低兵后在時間縫t傻內(nèi)的壓縮量(緞cm戀)。融該法曾用于對鑼日本東京、中敢國上海、常州
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